在醫療設備中開(kāi)發(fā)利用5GHz頻段

21世紀初，被稱(chēng)為Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)成為一種主流技術(shù)。筆記本電腦這類(lèi)計算設備開(kāi)始支持IEEE 802.11b標準，這種標準的最高數據速率為11Mb/s，工作在2.4GHz頻段。在802.11b之后是802.11g，后者速率比前者快5倍，接著(zhù)是802.11n，其數據速率可比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )速率。今天，Wi-Fi不僅被廣泛用于計算類(lèi)設備，而且被用于醫療設備，如成像系統、病人監護系統和輸液泵。

絕大多數Wi-Fi客戶(hù)端設備工作在2.4GHz頻段。在這個(gè)頻段只有三個(gè)非重疊的信道可用，因此每個(gè)Wi-Fi客戶(hù)端設備和基礎設施設備(如接入點(diǎn)(AP))必須工作在這三個(gè)信道中的一個(gè)信道上。當兩個(gè)工作在同一信道上的Wi-Fi客戶(hù)端設備或接入點(diǎn)設備相互靠得較近時(shí)，其中一個(gè)設備的發(fā)射信號將成為另一個(gè)設備的干擾或噪聲。2.4GHz頻段也是微波爐、嬰兒監視器、某些無(wú)繩電話(huà)和藍牙使用的頻段。雖然一個(gè)Wi-Fi客戶(hù)端設備只在一個(gè)信道上發(fā)射信號，但其它無(wú)線(xiàn)設備可能在整個(gè)頻段上造成干擾。在許多醫院，2.4GHz頻段中的無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)幾乎達到飽和狀態(tài)。隨著(zhù)Wi-Fi不斷普及，確保2.4GHz頻段上的可靠連接越來(lái)越具挑戰性。

幸運的是，還有另外一個(gè)頻段可供Wi-Fi使用，即5GHz頻段。這個(gè)頻段可以提供多得多的Wi-Fi信道(北美有23個(gè))。由于很少有設備工作在5GHz，這個(gè)頻段要相對干凈許多。然而，5GHz頻段的Wi-Fi部署有別于2.4GHz頻段的部署。下面就討論其中的一些差異。

1.多徑

聲波碰到物體會(huì )發(fā)生反射，并以不同的時(shí)間到達目的地，結果就形成了回波。當Wi-Fi發(fā)射信號碰到物體發(fā)生反射并以不同時(shí)間到達目的地時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生多徑傳播現象。多徑傳播通常會(huì )對Wi-Fi工作產(chǎn)生負面影響，因為傳輸信號的接收方必須篩選并排序信號的多份拷貝，因為其中一些信號的到達順序是亂的。5GHz頻段中的多徑傳播效應要比2.4GHz頻段更加顯著(zhù)。

2.覆蓋范圍

覆蓋范圍是指Wi-Fi客戶(hù)端與接入點(diǎn)可以建立并保持連接的最大距離。因為波形特性、信號衰減、數據速率和發(fā)射功率等原因，5GHz時(shí)的覆蓋范圍一般要小于2.4GHz。

在室內，頻率和信號傳播距離之間呈反比關(guān)系——頻率越高，信號傳播的距離就越短。5GHz時(shí)的Wi-Fi使用的頻率近似于2.4GHz的Wi-Fi所用頻率的兩倍(如圖1所示)。因此，工作在2.4GHz頻段的設備的覆蓋范圍通常要比工作在5GHz頻段的設備大。

圖1: 2.4GHz和5GHz的波形。

衰減指的是一個(gè)信號被物體吸收的程度。較低頻率的無(wú)線(xiàn)電波滲透固體的程度通常要比較高頻率的無(wú)線(xiàn)電波高。5GHz電波被普通建筑材料衰減的程度就比2.4GHz要高。另一方面，2.4GHz波形是水吸收的最佳頻率。微波爐工作在2.4GHz就是因為食物中的水份很容易吸收這個(gè)頻率的微波能量并產(chǎn)生熱量。

較低數據速率的工作距離要比較高數據速率時(shí)遠，因此在2.4GHz時(shí)的較低數據速率也能導致更大的覆蓋范圍。工作在2.4GHz頻段的Wi-Fi無(wú)線(xiàn)電設備支持802.11b(包括802.11g或802.11n)，而802.11b支持的數據速率要比5GHz頻段中的802.11a和802.11n標準低。

然而，802.11b的1Mb/s和2Mb/s最低速率對今天即使是最中等性能要求的網(wǎng)絡(luò )設備來(lái)說(shuō)也是不夠的。一些醫院關(guān)閉了這些最低速率，即使它們支持更大的范圍，因為工作在如此低數據速率的連接沒(méi)有任何實(shí)際好處，還會(huì )降低802.11g設備的性能。

影響覆蓋范圍的最后一個(gè)因素是發(fā)射功率。因為5GHz時(shí)的發(fā)射功率一般要比2.4GHz時(shí)的發(fā)射功率低，因此5GHz的覆蓋范圍要小于2.4GHz。

在基礎設施中采用802.11n的優(yōu)勢

通過(guò)充分利用802.11n在Wi-Fi基礎設施中的優(yōu)勢，醫院可以在5GHz范圍內實(shí)現顯著(zhù)的性能改進(jìn)。802.11n的兩大特色功能——發(fā)射波束成形(TxBF)和最大比例合成(MRC)——實(shí)際上是利用了多徑傳播。通過(guò)使用支持多根天線(xiàn)的雙頻段802.11n接入點(diǎn)設備，醫院可以改進(jìn)覆蓋圖形和所有Wi-Fi客戶(hù)端設備的覆蓋范圍，甚至是那些不支持802.11n的設備。

接入點(diǎn)設備利用TxBF可以在每根天線(xiàn)上發(fā)送信號的不同拷貝。無(wú)法接收來(lái)自某一根天線(xiàn)的信號的客戶(hù)端設備可以接收來(lái)自另外一根天線(xiàn)的信號。在沒(méi)有TxBF時(shí)，客戶(hù)端設備在接入點(diǎn)范圍之外;有了TxBF后，客戶(hù)端設備就可能在覆蓋范圍之內了。通過(guò)填充零區或死區，TxBF可以增加發(fā)射距離。

TxBF可以增強發(fā)射性能;MRC可以增強接收性能。借助MRC，接入點(diǎn)設備的每根天線(xiàn)都是來(lái)自客戶(hù)端設備信號的潛在接收者。當某根天線(xiàn)無(wú)法接收客戶(hù)端設備的發(fā)射信號而另一根天線(xiàn)可以時(shí)，客戶(hù)端設備就處于有效覆蓋范圍內。通過(guò)填充零區或死區，TxBF可增加接收距離。

雖然TxBF和MRC增加了覆蓋范圍，但干擾卻會(huì )減少覆蓋范圍。射頻干擾在2.4GHz頻段非常普遍，它將提高本底噪聲，降低信噪比(SNR)——發(fā)射信號和周邊干擾之差。隨著(zhù)信噪比的降低，覆蓋范圍將變小。因此2.4GHz頻段中工作設備的不斷增多一定程度上抵消了這個(gè)頻段的范圍優(yōu)勢。

當醫院的Wi-Fi基礎設施支持雙頻段802.11n時(shí)，5GHz時(shí)覆蓋范圍的少許減少可以由這個(gè)頻段干擾相對較少而帶來(lái)的可靠性提高來(lái)補償。由于所有802.11標準都具有速率偏移功能，當工作在距接入點(diǎn)設備相同的距離時(shí)，5GHz頻段的客戶(hù)端設備的工作數據速率要比2.4GHz頻段稍低一些。

機動(dòng)性

當Wi-Fi客戶(hù)端設備啟動(dòng)時(shí)，它必須尋找一個(gè)可以連接(關(guān)聯(lián))的接入點(diǎn)設備。當它與該接入點(diǎn)的連接變得不穩定時(shí)，它必須找到一個(gè)能夠提供更好連接的接入點(diǎn)。搜索接入點(diǎn)的這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為掃描。共有兩種掃描類(lèi)型：

1.主動(dòng)掃描

對于可能有接入點(diǎn)設備在上面工作的每個(gè)信道來(lái)說(shuō)，客戶(hù)端設備會(huì )發(fā)送一個(gè)探測請求，然后等待接收探測響應?？蛻?hù)端設備將根據探測響應判斷哪臺是它可以關(guān)聯(lián)的最佳接入點(diǎn)設備。

2.被動(dòng)掃描

與發(fā)送探測請求不同，客戶(hù)端設備在每個(gè)信道中偵聽(tīng)由接入點(diǎn)設備以定期間隔發(fā)送的信標幀。

接入點(diǎn)設備將在20ms內響應探測請求，而接入點(diǎn)設備可能要花100ms甚至更長(cháng)時(shí)間才會(huì )發(fā)送一個(gè)信標。因為客戶(hù)端設備在每個(gè)信道上等待來(lái)自接入點(diǎn)的信息所花時(shí)間較少，所以主動(dòng)掃描比被動(dòng)掃描更加高效。

在做主動(dòng)或被動(dòng)掃描時(shí)，客戶(hù)端設備不能收發(fā)有效載荷數據。正因為如此，長(cháng)時(shí)間掃描對于要求持久網(wǎng)絡(luò )連接的應用來(lái)說(shuō)具有負面影響。

5GHz頻段有一個(gè)獨特的Wi-Fi特性，即動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)。在全球許多地方，被稱(chēng)為DFS信道的一些5GHz信道由優(yōu)先級比Wi-Fi設備高的天氣和軍事雷達系統所用。表1顯示了5GHz信道，表中詳細列出了法律范疇內規定的可用DFS(D)和非DFS(√)信道。

表1: 該表顯示了5GHz信道。

在DFS信道上發(fā)射信號之前，接入點(diǎn)設備必須先偵聽(tīng)雷達系統是否存在。如果接入點(diǎn)設備檢測到雷達，那么接入點(diǎn)設備必須將該信道標記為不可用，然后轉移到未被占用的信道，并指示所有關(guān)聯(lián)客戶(hù)端設備做同樣的事。

由于無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端設備不能檢測雷達的存在，因此它們必須先對每個(gè)DFS信道進(jìn)行被動(dòng)掃描，以便檢測接入點(diǎn)設備是否在這個(gè)特定信道上發(fā)送信標。一旦檢測到信標，客戶(hù)端設備就被允許執行主動(dòng)掃描，并在這個(gè)信道上連接接入點(diǎn)設備。如果接入點(diǎn)設備后來(lái)檢測到雷達并轉移到另一個(gè)信道，那么客戶(hù)端設備必須轉移到相同的信道(以保持與該接入點(diǎn)設備的連接)或漫游到另一個(gè)接入點(diǎn)設備。

由于被動(dòng)掃描時(shí)每個(gè)DFS信道要花幾百毫秒時(shí)間，因此對于要求持久網(wǎng)絡(luò )連接的設備(如醫療設備)來(lái)說(shuō)不鼓勵使用DFS信道，特別是在擁有15個(gè)DFS信道的FCC和ETSI法律范疇。

建議

對于醫院的網(wǎng)絡(luò )管理人員來(lái)說(shuō)，5GHz頻段在覆蓋范圍和機動(dòng)性等方面要比2.4GHz面臨更大的挑戰。然而，5GHz頻段非常吸引人，因為它能提供更大的網(wǎng)絡(luò )容量和相對干凈的空中電波。隨著(zhù)時(shí)間的推移，在醫院Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中采用5GHz的需求將越來(lái)越大，因為2.4GHz頻段由于各種設備的過(guò)度使用而變得越來(lái)越擁擠。

下面是在醫院中使用5GHz頻段時(shí)的一些建議：

接入點(diǎn)設備放置：由于工作在5GHz頻段的802.11a和802.11n標準提供的數據速率不低于6Mb/s，因此接入點(diǎn)設備放置的位置應確?？蛻?hù)端設備能保持6Mb/s或更高數據速率的連接。當放置的接入點(diǎn)設備要求工作在指定數據速率時(shí)，接入點(diǎn)設備之間的距離應該根據5GHz要求而不是2.4GHz要求來(lái)確定。

802.11n：雙頻段802.11n基礎設施可以給所有Wi-Fi客戶(hù)端無(wú)線(xiàn)設備帶來(lái)好處，比如更加可靠的連接和更大的覆蓋范圍。在資源允許的條件下醫院應升級到雙頻段802.11n基礎設施。

DFS信道：雖然5GHz頻段中可用的信道數量可以提供更大的網(wǎng)絡(luò )容量，但也會(huì )導致更長(cháng)的掃描時(shí)間，從而影響到性能和可靠性。當只允許被動(dòng)掃描時(shí)尤其如此，就像DFS信道那樣。因此，除非絕對必要，網(wǎng)絡(luò )架構師不應將接入點(diǎn)設備配置為工作在DFS信道上，并且應該將這些信道從醫療設備的掃描清單中刪除。